Цемент

Ультразвуковое смешение цементного теста обладает большими преимуществами при выпуске предварительно сборного железобетона и сухих бетонных смесей. К таким преимуществам относят сокращение исходного и конечного установленного времени, уменьшение дозы суперпластификатора, более быструю и полную гидратацию, а также повышение прочности на сжатие.

Традиционные технологии смешения бетона на базе асфальтобетона или поворотных миксеров обладают смесительным действием, недостаточным для диспергирования агломератов частиц цемента, летучей золы или кремнезёма. В то время как наружные частицы таких агломератов подвергаются воздействию воды, поверхности внутренних частиц остаются сухими. Это приводит к медленной и неполной гидратации.

Преимущества технологии ультразвукового смешения

Ультразвуковое диспергирование является самой современной технологией для деагломерирования и диспергирования микро- и наноразмерных материалов в жидкостях. Ультразвуковое смешение использует кавитационные поперечные силы, которые более эффективны для смешения мелкоразмерных материалов, а не для применения в обычных поворотных и роторно-статорных смесителях. У цемента, кремнезёма, летучей золы, пигментов или углеродных нанотрубок ультразвуковое диспергирование улучшает показатели, поскольку она улучшает распределение частиц и их контакт с водой.

Во время гидратации (реакции цемента с водой) фазы C S H выращивают игольчатые структуры. Картинки ниже показывают микроструктуру в цементном тесте после 5-часовой гидратации. В цементном тесте, обработанном ультразвуком, фазы, C S H имеют длину почти 500нм, тогда как в тесте, необработанном ультразвуком, фазы C S H имеют длину всего лишь около 100нм.

Микроструктура цементного теста после 5 часов гидратации
с обработкой ультразвуком без обработки ультразвуком

Тесто для цемента Портленд (CEM I42.5R), C. Rössler (2009) – Университет Bauhaus Веймар

Ультразвуковое кавитационное смешение приводит к ускорению роста фаз C S H phases.

Температура гидратации

Прочность на сжатие

Скорость ультразвукового импульса

Reference – базовое значение, temperature – температура, power ultrasound – ультразвуковая мощность, temperature pulse – температурный импульс Compressive strength - прочность на сжатие, hydration period – период гидратации Ultrasound velocity – скорость ультразвука
C. Rössler (2009)
Рост фаз C S H соотносится с температурой в цементном тесте в ходе гидратации (кликните на правый график). В цементном тесте, смешанном ультразвуком, гидратация начинается примерно на один час раньше. Более ранняя гидратация связана с более ранним увеличением прочности на сжатие (кликните на правый график). Увеличенную скорость гидратации можно измерить и скоростью ультразвукового импульса.

В частности, у предварительно сборного и сухого сборного бетона это приводит к значительному укорачиванию времени до того момента, как отлитый бетон можно будет извлекать из литейной формы. Исследования университета Bauhaus (Германия) показали следующее сокращение временных установок:

  Базовое время Разница После ультразвука
Исходное 5 ч 15 мин -29% 3 ч 45 мин
Конечное 6 ч 45 мин -33% 4 ч 30 мин
Усадка 122 мм +30% 158 мм

Ещё одним интересным преимуществом ультразвукового смешения является его влияние на текучесть. Как показано в таблице выше, усадка увеличивается примерно на 30%, что может позволить снизить дозу суперпластификаторов.

Интеграция ультразвуковых смесителей в процесс

Компания Hielscher предлагает ультразвуковые смесители для эффективного диспергирования цемента, кремнезёма, летучей золы, пигментов или углеродных нанотрубок. Во-первых, любой сухой материал должен быть предварительно смешан с водой для того, чтобы образовать высококонцентрированную, но ещё поддающуюся перекачке массу. Ультразвуковой смеситель Hielscher деагломерирует и распыляет частицы, используя кавитационный сдвиг. В результате, вся поверхность каждой частицы полностью подвергается воздействию воды.

Ультразвуковая обработка цементного теста

В случае с цементным тестом гидратация начинается после ультразвуковой обработки. Поэтому, ультразвуковой смеситель Hielscher должен использоваться в потоке, поскольку цементное тесто невозможно хранить длительное время. Схема, приведённая ниже, иллюстрирует процесс. На следующем этапе добавляется заполнитель (песок или гравий) и смешивается с цементным тестом. Поскольку на этой стадии частицы цемента уже хорошо диспергированы, цементное тесто легко смешивается с заполнителем. Теперь бетон готов к заливке в литейные формы или к транспортировке. Рядом с ультразвуковым смесителем можно использовать дисперсионный бак для обеспечения непрерывной обработки в случае с неустойчивым спросом на бетон.


Cement – цемент, water – вода, pre mixer – предварительный смеситель, aggregate – заполнитель (гравий, песок), ultrasonic mixer – ультразвуковой смеситель, mixer - смеситель, precast mold - литейная форма для сборного бетона

Ультразвуковое диспергирование кремнезёма, летучей золы и наноматериалов


Silica… - кремнезём, летучая зола, углеродные нанотрубки, сement – цемент, water – вода, pre mixer – предварительный смеситель, aggregate – заполнитель (гравий, песок), ultrasonic mixer – ультразвуковой смеситель, mixer - смеситель, precast mold - литейная форма для сборного бетона
Диспергирование кремнезёма, летучей золы, пигментов или других наноматериалов, а также углеродных нанотрубок, требует другой интенсивности обработки и других энергетических уровней. По этой причине мы рекомендуем установить отдельный ультразвуковой смеситель для получения хорошо диспергированной пульпы/массы, которая затем добавляется в бетонную смесь. Кликните на график выше для получения схемы данного процесса.

Оборудование для ультразвукового смешения, необходимое для пропорционального увеличения, может быть точно определено на основании пилотных испытаний, использующих прибор UIP1000hd (1000 Вт). Таблица ниже приводит общие рекомендации по устройствам в зависимости от объёма порции или расхода цементного теста, подлежащих обработке.

Объем порции Расход Рекомендуемый прибор
0.1 – 10 л 0.2 - 2 л/мин UIP1000hd, UIP1500hd
10 - 50 л 2 - 10 л/мин UIP4000
- 10 - 50 л/мин UIP16000
- свыше группа из UIP16000

При помощи ультразвуковой мощности до 16 кВт, приходящейся на один прибор, компания Hielscher предлагает варианты мощности, требуемой для обработки больших объёмов. Данную технологию легко испытывать и линейно масштабировать.